KR100559787B1 - 플라즈마 처리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공 상태의 챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 기판에 소정의 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.

본 발명은, 진공 상태의 챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 기판에 소정의 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 챔버 상부 및 하부에 각각 마련되어 챔버 내부에 고주파 전력을 인가하는 상부 전극 및 하부 전극; 상기 상부 전극 하부에서 하측으로 돌출된 상부 전극 테두리부에 결합되어 마련되며, 상기 챔버 내부로 공정가스를 확산시키는 샤워헤드; 상기 하부 전극 내부로 냉매를 순환시켜 상기 하부 전극을 냉각시키는 냉각부;가 마련되며, 상기 냉각부는, 상기 하부 전극을 길이 방향으로 관통하여 형성되는 복수개의 냉매 순환 유로와, 상기 냉매 순환 유로에 냉매를 순환시키는 냉매 순환부로 구성되되, 상기 냉매 순환 유로에 냉매가 유입되는 냉매 공급구와 냉매가 유출되는 냉매 회수구는 상기 하부 전극의 중앙 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치를 제공한다.

플라즈마, 플라즈마 처리장치, 냉매 순환 유로, 냉매 순환부

Description

플라즈마 처리장치{APPARATUS FOR PROCESSING SUBSTRATE WITH PLASMA}

도 1은 종래의 플라즈마 처리장치의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 2는 종래의 하부 전극 및 냉매 순환 유로의 구조를 나타내는 사시도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치의 구조를 나타내는 단면도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 냉매 순환 유로의 배치구조를 나타내는 횡단면도이다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉매 순환 유로의 배치 구조를 나타내는 사시도이다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉매 순환 유로의 배치 구조를 나타내는 사시도이다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 냉매 순환 유로의 배치 구조를 나타내는 횡단면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

1 : 종래의 플라즈마 처리장치

100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 플라즈마 처리장치

10, 110 : 상부 전극 20, 120 : 하부 전극

30, 130 : 냉매 순환부 40, 140 : 배기부

12, 112 : 샤워헤드 132 : 냉매 순환 유로

134 : 냉매 공급구 136 : 냉매 회수구

S : 기판 G : 게이트 밸브

C : 하부 전극의 중심

본 발명은 진공 상태의 챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 기판에 소정의 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 관한 것이다.

반도체 장치, 액정표시 장치 등의 제조 프로세스에는, 플라즈마를 사용하여 기판의 표면을 처리하는 플라즈마 처리장치가 많이 사용되고 있다. 이러한 플라즈마 처리장치로는, 기판에 에칭을 실시하는 플라즈마 에칭 장치나, 화학적 기상 성장(Chemical Vapor Deposition : CVD)을 실시하는 플라즈마 CVD 장치 등을 예로 들 수 있다.

이러한 플라즈마 처리장치(1)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상하에 서로 평행하게 대향하는 2개의 평판 전극(10, 20)을 구비한다. 2개의 전극 중 하부 전극(20)상에는 기판(S)이 탑재된다. 따라서 이 하부 전극(20)을 기판 탑재대라고도 한다.

또한 이러한 플라즈마 처리장치(1)에는 처리장치 내부로 기판을 반입하거나 반출하는 과정을 돕기 위하여 내부 승강핀(도면에 미도시)과 외부 승강바(도면에 미도시)가 마련된다. 이때 내부 승강핀은 하부 전극(20)의 가장자리부를 관통하여 형성되며, 하부 전극(20)에 형성된 관통공을 통과하며 상하로 구동된다.

그리고 외부 승강바는 하부 전극(20)의 외측에 별도로 마련된다. 즉, 하부 전극(20)의 측벽과 플라즈마 처리장치의 측벽 사이에 형성되는 공간에 마련되며 상하로 구동할 수 있는 구조로 마련된다. 물론 경우에 따라서는 외부 승강바를 사용하지 않고, 기판을 반송할 수도 있다.

그리고 이 플라즈마 처리장치(1)에는 그 내부의 가스를 배기시키기 위한 배기부(40)가 마련된다. 이 배기부(40)는 플라즈마 처리장치(1) 외부에 마련되는 펌프에 의하여 플라즈마 처리장치 내부의 기체를 흡입하여 제거하고, 플라즈마 처리장치 내부를 진공 상태로 유지한다.

다음으로 상부 전극(10)은 하부 전극(20)과 대향하는 위치에 마련된다. 이 상부 전극(10)은 전극으로서의 역할 뿐만아니라, 양 전극 사이에 공정가스를 공급하는 공정가스 공급부의 역할도 수행한다. 따라서 이 상부 전극(10) 하부에는 도 1에 도시된 바와 같이, 샤워헤드(shower head, 12)가 결합되어 마련된다. 여기에서 샤워헤드(12)에는 미세한 직경을 가지는 다수개의 공정가스 확산공(14)이 형성된다. 따라서 이 샤워헤드(12)를 통해서 공정가스가 양 전극(10, 20) 사이의 공간으로 균일하게 공급된다. 전극 사이에 공급된 처리가스는 전극으로의 고주파 전력의 인가에 의해 플라즈마로 되고, 이 플라즈마에 의해 기판의 표면이 처리된다.

하부 전극(20) 상에는 기판이 위치되어 처리된다. 이때 플라즈마 처리장치 내부에서는 플라즈마가 형성되므로, 챔버 내부의 온도가 상승되어 기판 처리에 영 향을 미칠 수 있다. 따라서 공정 처리 중에 기판(S)의 온도가 특정 온도 이상으로 상승되지 않도록 하기 위하여 하부 전극(20) 내부에 냉매 순환 유로(30)가 형성된다. 이 냉매 순환 유로(30)에는 외부에 마련된 냉매 순환부(도면에 미도시)에 의하여 공급되는 냉매가 순환된다. 따라서 이 냉매 순환 유로(30)에 의하여 하부 전극(20)의 온도가 일정하게 유지되고, 이 하부 전극(20)에 위치된 기판(S)이 일정한 온도로 유지되는 것이다.

그리고 상부 전극(10)에는 냉매가 순환할 수 있는 냉매 순환 유로(16)가 형성된다. 이 냉매 순환 유로(16)는 상부 전극(10)을 수평 방향으로 관통하여 형성되며, 하나로 연결되어 형성되되, 상부 전극(10)의 모든 영역에 걸쳐서 고르게 형성된다. 이 냉매 순환 유로(16)의 일단은 외부와 연통되는 냉매 공급구에 연결되고, 타단은 냉매 회수구에 연결된다. 따라서 이 냉매 공급구 및 냉매 회수구를 통하여 새로운 냉매를 공급받고, 사용된 냉매를 회수하여 냉매를 순환시키는 것이다. 이 냉매 순환 유로(16)는 플라즈마 발생과정에서 샤워헤드(12)의 온도 상승으로 인하여 플라즈마 처리장치에 의하여 진행되는 프로세스에 영향을 미치는 것을 방지하기 위한 것이다.

그런데 종래의 하부 전극 냉매 순환 유로(30)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 냉매 공급구(32)와 냉매 회수구(34)가 각각, 하부 전극(20)의 측방에 치우친 상태에서 멀리 이격되어 형성된다. 이렇게 냉매 공급구(32)와 냉매 회수구(34)가 멀리 이격되어 배치되는 경우에는 냉매의 통과 경로가 길어지면서 냉매 공급구(32) 근처에서의 냉매 온도와 냉매 회수구(34) 근처에서의 냉매 온도가 크게 달라지게 된다. 즉, 냉매 순환 유로(30)를 통과한 후에 유출되기 직전의 냉매의 온도가 상승하는 것이다. 실제 공정 중에 측정한 값으로는 냉매 공급구(32) 측의 온도가 35℃인 경우 냉매 회수구(34) 측의 온도는 40℃에 이른 것으로 나타난다. 이렇게 하부 전극(20)의 온도차가 발생하는 경우에는 고주파 전력의 전달 효율이 떨어지며, 식각 비율이나 식각 균일도 등이 영향을 받아서 프로세스 재현성이 떨어지는 문제점이 있다.

특히, 플라즈마 처리 중에 하부 전극(20)의 중앙 영역이 테두리 영역보다 온도 상승이 높은 것으로 나타나므로, 이 현상에 의한 하부 전극의 온도 차이를 극복할 필요성도 대두된다.

전술한 문제점들은 처리 기판이 대면적화되면서 기판도 대면적화되고, 냉매가 통과하는 냉매 순환 유로의 길이가 길어지는 상황에서 점점 더 심각해지고 있다.

본 발명의 목적은 하부 전극의 모든 영역이 균일한 온도를 유지할 수 있는 냉각부가 구비되는 플라즈마 처리장치를 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 진공 상태의 챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 기판에 소정의 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 상기 챔버 상부 및 하부에 각각 마련되어 챔버 내부에 고주파 전력을 인가하는 상부 전극 및 하부 전극; 상기 상부 전극 하부에서 하측으로 돌출된 상부 전극 테두리부에 결 합되어 마련되며, 상기 챔버 내부로 공정가스를 확산시키는 샤워헤드; 상기 하부 전극 내부로 냉매를 순환시켜 상기 하부 전극을 냉각시키는 냉각부;가 마련되며, 상기 냉각부는, 상기 상부 전극 또는 하부 전극을 길이 방향으로 관통하여 형성되는 복수개의 냉매 순환 유로와, 상기 냉매 순환 유로에 냉매를 순환시키는 냉매 순환부로 구성되되, 상기 냉매 순환 유로에 냉매가 유입되는 냉매 공급구와 냉매가 유출되는 냉매 회수구는 상기 상부 전극 또는 하부 전극의 중앙 영역에 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치를 제공한다.

본 발명에 따른 복수개의 냉매 순환 유로는, 상부 전극 또는 하부 전극의 중앙을 중심으로 좌우측에 각각 대칭되게 배치되는 것이, 대면적 기판을 처리하는 플라즈마 처리장치에 있어서, 냉매 공급구와 냉매 회수구 사이의 온도 차이를 줄일 수 있어서 바람직하다.

이때 복수개의 냉매 순환 유로에 있어서, 각 냉매 공급구 및 냉매 회수구는 상기 상부 전극 또는 하부 전극 중앙을 중심으로 하여 서로 마주보도록 배치되는 것이, 냉매 공급구와 냉매 회수구 사이의 온도차를 상호 보완할 수 있어서 바람직하다.

한편 본 발명에서는, 복수개의 냉매 순환 유로를, 상부 전극 또는 하부 전극 내부에 상하 이층으로 배치시킴으로써, 냉매 공급구와 냉매 회수구 사이의 온도차 를 줄일 수 있어서 바람직하다.

이때 상하층의 냉매 순환 유로에 있어서, 각 냉매 공급구 및 냉매 회수구는 서로 엇갈리게 배치되는 것이, 냉매 공급구와 냉매 회수구 사이의 온도차를 서로 보완할 수 있어서 바람직하다.

또한 본 발명에서는, 냉매 순환 유로가, 상부 전극 또는 하부 전극 내부에 상하 이층으로 배치되되, 각 층에 독립적으로 냉매가 순환되는 복수개의 냉매 순환 유로가 배치되는 것이, 냉매 공급구와 냉매 회수구 사이의 온도차를 효과적으로 줄일 수 있어서 더욱 바람직하다.

이때 각 냉매 순환 유로의 냉매 공급구 및 냉매 회수구는 서로 엇갈리게 배치되는 것이 냉매 공급구와 냉매 회수구 사이의 온도차를 효과적으로 보완할 수 있어서 더욱 바람직하다.

또한 상층에 배치되는 냉매 순환 유로와 하층에 배치되는 냉매 순환 유로는, 냉매 순환 유로의 형성 방향이 서로 직교되게 배치되는 것이, 냉매 순환 유로의 배치 면적을 확대시켜 상부 전극 또는 하부 전극의 온도 분포를 균일하게 할 수 있어서 바람직하다.

특히, 상층에 배치되는 냉매 순환 유로는 상기 상부 전극 또는 하부 전극의 전면에 걸쳐서 분포되고, 하층에 배치되는 냉매 순환 유로는 상기 상부 전극 또는 하부 전극의 중앙 영역에 분포되도록 함으로써, 상부 전극 또는 하부 전극의 중앙 영역의 온도 상승을 방지하여 상부 전극 또는 하부 전극의 전 영역이 균일한 온도를 유지하도록 하는 것이 바람직하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 일 실시예를 상세하게 설명한다.

본 실시예에 따른 플라즈마 처리장치(100)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상부 전극(110); 하부 전극(120); 샤워헤드(112); 냉각부(130);를 포함하여 구성된다. 여기에서 상부 전극(110), 하부 전극(120), 사워헤드(112) 등의 구성요소는 종래의 플라즈마 처리장치(1)의 그것과 동일한 구조 및 기능을 가지므로 여기에서 반복하여 설명하지 않는다.

본 실시예에 따른 냉각부(130)는 상부 전극 또는 하부 전극(120) 내부로 냉매를 순환시켜 상기 상부 전극 또는 하부 전극을 냉각시키는 역할을 한다는 점에서는 종래의 냉각부와 동일하지만, 그 구조와 배치가 상이하다. 우선 본 실시예에 따른 냉각부(130)는, 하부 전극(120)을 넓이 방향으로 관통하여 형성되는 복수개의 냉매 순환 유로(132)와, 이 냉매 순환 유로(132)에 냉매를 순환시키는 냉매 순환수단(도면에 미도시)으로 구성된다. 즉, 각각 독립적으로 냉매가 순환되는 냉매 순환 유로(132)가 한 하부 전극(120) 내부에 복수개가 배치되는 것이다. 따라서 각 냉매 순환 유로의 길이가 종래보다 짧아져서, 냉매가 하부 전극 내에서 지나는 경로가 짧아진다. 그러므로 냉매 공급구와 냉매 회수구 사이에 발생된 냉매 온도차가 줄어 든다. 따라서 종래에 5℃ 이상 발생되던 냉매 공급구와 냉매 회수구 사이의 냉매 온도차이가 대폭 줄어드는 효과가 있다.

이때 각 냉매 순환 유로(132)의 냉매 공급구(134) 및 냉매 회수구(136)는 종래와 달리 하부 전극(120)의 중앙 영역에 형성된다. 이는 플라즈마 공정 처리중에 하부 전극(120)의 중앙 부분이 테두리 부분 보다 온도 상승이 심한 것을 상쇄시키기 위한 것으로서, 냉매 순환 유로(132) 중 냉매의 온도가 가장 낮은 부분인 냉매 공급구(132)를 하부 전극(120)의 중앙 부분에 배치하여 하부 전극 중앙 영역의 온도를 낮추는 것이다.

이하에서는 복수개의 냉매 순환 유로(132)를 하부 전극(120) 내부에 배치하는 방법 3가지를 개시한다.

먼저 도 4에 도시된 바와 같이, 복수개의 냉매 순환 유로를, 하부 전극(20) 중앙을 중심(C)으로 좌우측에 각각 배치시키는 방식이다. 이때 각 냉매 순환 유로(132a, 132b)에는 개별적으로 냉매가 순환되므로 각각 별개의 냉매 공급구(134) 및 냉매 회수구(136)가 마련된다. 따라서 하부 전극(120)의 좌우측에 2개의 냉매 순환 유로를 배치하는 경우에는, 2개의 냉매 공급구 및 냉매 회수구가 형성되는데, 냉매 공급구 또는 냉매 회수구끼리 인접하게 배치하는 것이 아니라, 서로 대각선 방향에서 마주보도록 배치시키는 것이 바람직하다.

즉, 하부 전극의 중앙(C)을 중심으로 하여 대칭적으로 마주보게 배치되는 것이다. 이렇게 도 4에 도시된 바와 같이, 냉매 공급구(134)와 냉매 회수구(136)를 대각선 방향에서 마주보도록 배치하는 이유는, 냉매 공급구(134) 측과 냉매 회수구(136) 측 사이의 온도차에 의한 하부 전극의 각 영역간에 온도차가 발생되는 것을 방지하기 위한 것이다. 즉, 냉매 회수구(136)에 의하여 하부 전극(120)의 온도가 높아진 것이, 인접한 냉매 공급구(134)에 의하여 온도가 낮아져서, 하부 전극(120) 전체적으로 균일한 온도를 유지하게 되는 것이다.

두번째으로는 도 5에 도시된 바와 같이, 복수개의 냉매 순환 유로(132)를, 하부 전극(120) 내부에 상하 이층으로 배치시키는 방식이다. 이때에도 각 냉매 순환 유로(132)의 냉매 공급구 및 냉매 회수구는 서로 엇갈리게 배치된다. 여기에서 '엇갈리게 배치된다'는 것은, 냉매 공급구 끼리 인접하게 배치되는 것이 아니라, 냉매 공급구와 냉매 회수구가 인접하게 배치시킴으로써, 각 냉매 순환 유로에서의 냉매가 흐르는 방향이 반대가 되도록 하는 것을 말한다. 물론 이 경우에도 냉매 공급구(134)와 냉매 회수구(136)를 하부 전극(120)의 중앙 영역에 배치하여, 하부 전극(120)의 중앙 영역과 테두리 영역의 온도차이 발생을 방지하는 것이 가능하다.

세번째로는 도 6에 도시된 바와 같이, 4 개의 냉매 순환 유로(132)를, 하부 전극 내부에 상하 이층으로 각각 2개씩 배치하되, 각 층에는 2개의 냉매 순환 유로가 좌우 대칭되도록 배치되는 것이다. 이때에도 각 냉매 순환 유로(132)의 냉매 공 급구(134) 및 냉매 회수구(136)는 서로 엇갈리게 배치되는 것이, 하부 전극(120)의 전체 영역에 걸쳐서 균일한 온도를 유지할 수 있어서 바람직하다.

더 나아가서는 도 7에 도시된 바와 같이, 하층에 배치되는 냉매 순환 유로(132c, 132d)를, 상층에 배치되는 냉매 순환 유로(132a, 132b)의 형성 방향과 직교되게 배치하는 것이 더욱 바람직하다. 상하층에 배치되는 각 냉매 순환 유로의 형성 방향을 직교되게 배치한다는 것은, 냉매 순환 유로 중 냉매가 길게 흐르는 주관의 방향이 서로 직교되게 배치되는 것을 말한다. 이렇게 상하층의 냉매 순환 유로가 직교되게 배치되는 경우에는, 하부 전극(120)의 모든 영역에 걸쳐서 골고루 냉매가 흐르게 되므로, 하부 전극(120)의 전영역에 걸쳐서 균일한 온도를 얻을 수 있는 장점이 있다.

한편 상층에 배치되는 냉매 순환 유로(132a, 132b)는 하부 전극(120)의 전면에 걸쳐서 분포되고, 하층에 배치되는 냉매 순환 유로(132c, 132d)는 하부 전극(120)의 중앙 영역에 분포시킬 수도 있다. 이렇게 하층에 배치되는 냉매 순환 유로(132c, 132d)를 하부 전극(120)의 중앙 영역에 배치하는 것은, 플라즈마 처리 과정에서 하부 전극(120)의 중앙 영역이 테두리 영역보다 온도가 높아지는 현상을 방지하기 위한 것으로서, 하부 전극(120)의 중앙 영역에 더 많은 냉매 순환 유로를 배치하여 하부 전극(120)의 중앙 영역과 테두리 영역이 동일한 온도를 유지하도록 하는 것이다. 물론 상층에 배치되는 냉매 순환 유로(132a, 132b)를 하부 전극(120)의 중앙 영역에 배치하고, 하층에 배치되는 냉매 순환 유로(132c, 132d)를 테두리 영역에 배치하는 것도 가능하다.

본 발명에 따르면, 대면적의 기판을 처리하기 위한 플라즈마 처리장치에 있어서, 하부 전극 내에서 마련되는 냉매 순환 유로를 복수개로 형성시킴으로써, 냉매가 통과하는 통과 길이를 감소시켜 냉매 공급구 측과 냉매 회수구 측 사이의 온도차를 감소시키는 장점이 있다.

또한 복수개의 냉매 순환 유로를 배치함에 있어서, 복수개의 냉매 공급구와 냉매 회수구를 서로 엇갈리게 배치함으로써, 냉매 공급구와 냉매 회수구 사이의 온도 차이를 상쇄하여 하부전극의 전영역이 전체적으로 균일한 온도를 유지하는 장점이 있다.

결국, 하부 전극 전영역이 균일한 온도를 유지하므로, 대면적 기판의 처리에 있어서, 온도 차이에 의한 공정처리에 재현성 감소의 문제점을 해결할 수 있다.

Claims (9)

1. 진공 상태의 챔버 내에 플라즈마를 발생시켜 기판에 소정의 처리를 실시하는 플라즈마 처리장치에 있어서,

   상기 챔버 상부 및 하부에 각각 마련되어 챔버 내부에 고주파 전력을 인가하는 상부 전극 및 하부 전극;

   상기 상부 전극 하부에서 하측으로 돌출된 상부 전극 테두리부에 결합되어 마련되며, 상기 챔버 내부로 공정가스를 확산시키는 샤워헤드;

   상기 상부 전극 또는 하부 전극 내부로 냉매를 순환시켜 상기 상부 전극 또는 하부 전극을 냉각시키는 냉각부;가 마련되며,

   상기 냉각부는,

   상기 상부 전극 또는 하부 전극을 길이 방향으로 관통하여 형성되는 복수개의 냉매 순환 유로와, 상기 냉매 순환 유로에 냉매를 순환시키는 냉매 순환부로 구성되되, 상기 냉매 순환 유로에 냉매가 유입되는 냉매 공급구와 냉매가 유출되는 냉매 회수구는 상기 상부 전극 또는 하부 전극의 중앙 영역에 서로 엇갈리게 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉매 순환 유로는,

   상기 상부 전극 또는 하부 전극 중앙을 중심으로 좌우측에 각각 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 냉매 순환 유로는,

   상기 상부 전극 또는 하부 전극 내부에 상하 이층으로 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서, 상기 냉매 순환 유로는,

   상기 상부 전극 또는 하부 전극 내부에 상하 이층으로 배치되되, 각 층에 독립적으로 냉매가 순환되는 복수개의 냉매 순환 유로가 배치되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
7. 삭제
8. 제1항에 있어서,

   상층에 배치되는 냉매 순환 유로와 하층에 배치되는 냉매 순환 유로는, 냉매 순환 유로의 형성 방향이 서로 직교되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.
9. 제8항에 있어서,

   상층에 배치되는 냉매 순환 유로는 상기 상부 전극 또는 하부 전극의 전면에 걸쳐서 분포되고,

   하층에 배치되는 냉매 순환 유로는 상기 상부 전극 또는 하부 전극의 중앙 영역에 분포되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 처리장치.

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